JP3528888B2 - シリコン単結晶の製造装置および方法 - Google Patents
シリコン単結晶の製造装置および方法Info
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Description
シリコン融液に水平磁場を印加しつつ前記融液から大直
径のシリコン単結晶を引き上げる、水平磁場印加CZ法
(HMCZ法)に基づく大直径シリコン単結晶の製造装
置および方法に関する。
度化がますます進み、半導体結晶基板は大直径化、高品
質化の一途をたどっている。半導体結晶は主にチョクラ
ルスキー法(引上げ法)で製造されており、現在、更な
る大直径化、高品質化への努力が続けられている。
棒を製造する装置および方法について図5を参照して説
明すると、引上げチャンバ1のほぼ中央に、黒鉛サセプ
タ3に保持された石英ルツボ2を設け、この黒鉛サセプ
タ3の底部中央を、回転・上下自在の支持軸10で下方
から支持する。石英ルツボ2の中に原料の多結晶シリコ
ンを充填し、これを、保温体5で囲まれた抵抗加熱ヒー
タ(黒鉛ヒータ)4により加熱・溶融して融液6とす
る。引上げ室1の天井中央には開口部12を有し、これ
に接続したサブチャンバ13の中を通って、先端に種結
晶14を保持した回転・上下自在の引上げ軸7を設け
る。単結晶引上げに際しては、引上げ軸7を降下させ、
種結晶14を融液6に浸漬した後、引上げ軸7および石
英ルツボ2を回転させながら種結晶14を引き上げるこ
とにより、その下に単結晶棒8を成長させることができ
る。
晶棒8の直径を例えば約200mmと、従来の単結晶棒
よりも相当に大きくするには、これに対応して石英ルツ
ボ2の内径を例えば500mm以上と大きくして、シリ
コン融液6の量を増やさなければならない。ところが、
このようにするとシリコン融液6の対流9が不規則とな
り、対流によって運ばれる不純物濃度および、結晶成長
面での融液温度が不安定となり、大直径シリコン単結晶
を安定的に製造するのが困難となる。このため何らかの
手段で、融液6の対流を適切なものに制御することが必
要になる。
うに引上げチャンバ1の外側に電磁石21,22をルツ
ボ2を挟んで対向配備し、これらの電磁石により融液6
に水平磁場を印加しながら単結晶棒8を引き上げるHM
CZ法が用いられていることが知られている。
場印加により、ルツボ内シリコン融液6の対流状態は改
善されるが、ルツボの大口径化に伴い、水平磁場を印加
するだけでは充分な効果が得られず、結晶内の不純物濃
度の分布が、単結晶の成長方向に不均一になること、す
なわち不純物濃度が変化しやすくなることが、本発明者
らによって明らかになった。
て、シリコン単結晶中の量が制御されている不純物の例
としては、格子間酸素や、シリコン単結晶のキャリア濃
度を決定するドーパントと呼ばれる原子が挙げられる。
酸素濃度が微小な範囲で高濃度、低濃度にばらつくこと
はデバイス工程において、例えば高濃度の場合、結晶欠
陥を形成する基となり、あるいは低濃度の場合、重金属
不純物のゲッタリング不足となり、デバイスの特性およ
び収率を低下させるという悪影響を及ぼす。
たもので、その目的は、HMCZ法による単結晶製造装
置において大口径の石英ルツボに多量のシリコン融液を
収納し、この融液から不純物濃度、特に結晶内での酸素
濃度の均一性を改善した大直径のシリコン単結晶を安定
して製造することができるシリコン単結晶製造装置、お
よび製造方法を提供することにある。
は種々の実験を行い、その結果、図5における抵抗加熱
ヒータ4の発熱部であるスリット4aの長さが結晶内の
酸素濃度の不均一性に密接に関係していることをつきと
めた。すなわち、上記スリット4aの長さがルツボ2の
内径に近い場合には、シリコン融液全体がほぼ均一温度
に加熱され、融液深さ方向の温度勾配が小さくなるの
で、シリコン融液の対流の方向性や均一性を望ましいも
のに制御することが難しく、その結果、酸素濃度の不均
一が生じていることが判った。
の製造装置は、引上げチャンバ内に有底円筒状ルツボ
と、このルツボを囲繞する抵抗加熱ヒータとを設け、磁
場印加装置の電磁石を構成するコイルを前記引上げチャ
ンバ外に、かつ前記ルツボを挟んで同軸的に対向配備
し、ルツボ内のシリコン融液に水平磁場を印加しつつ前
記融液から大直径の単結晶を引き上げるシリコン単結晶
の製造装置において、図1に示すように、抵抗加熱ヒー
タ4として、発熱部であるスリット4aの長さLsがル
ツボ2の内径Rの0.3倍以上、0.7倍以下であるも
のを設けたことを特徴とする。
したことにより、結晶成長界面近傍のシリコン融液に温
度勾配が発生するため、これに印加する水平磁場の効果
と相まって、その対流を適切なものに制御することが可
能となり、シリコン単結晶内の不純物濃度、特に結晶成
長方向の格子間酸素濃度の連続性が改善されて、結晶成
長方向のミクロな酸素濃度分布が均一になり、高品質の
シリコンウエーハを安定して製造することができる。な
お、上記長さLsがルツボ2の内径Rの0.3倍未満で
は発熱部が短すぎてルツボ内のシリコン全体を溶融状態
に維持するのが困難となり、0.7倍を超えると発熱部
の長さが従来と同等であるため、上記した問題が発生す
る。
の製造装置では、ルツボ2内のシリコン融液量、従って
その深さが単結晶引上げ時間の経過とともに減少するシ
リコン単結晶製造方法が、主に採用されている。本発明
の製造装置において、この引上げ方法を採用するために
は、抵抗加熱ヒータ4およびルツボ2は昇降機構(図示
せず)により昇降可能とすることが好ましい。この場
合、図1に示すように、結晶引上げ開始時点において抵
抗加熱ヒータ4のスリット4aの上下方向の中心Cs
を、シリコン融液6の表面Smより下方に位置させると
ともに、シリコン単結晶の引上げによるルツボ内シリコ
ン融液量の減少に伴うシリコン融液表面の降下分をルツ
ボ2の上昇により相殺することが望ましい。
よび方法は、通常のCZ法により1つのルツボから1本
の単結晶を引き上げる場合に限らず、いわゆるマルチプ
ルCZ(RCCZ法:Recharge CZ法)、または連続
チャージ引上げ法(CCCZ法:Continuous Charging
CZ法)より引き上げる場合にも適用できる。通常のC
Z法およびRCCZ法では、結晶引上げ時間の経過とと
もにルツボ内融液の深さが減少する。CCCZ法では結
晶引上げ中、ルツボ内融液の深さが実質的に引上げ開始
時点の深さと変わらず一定である。
験例について説明する。 試験例1〜3 図1は、シリコン単結晶製造装置の要部構造を示す断面
図であり、ルツボ周りの構造は、図5の従来装置と同様
である。このシリコン単結晶製造装置では、抵抗加熱ヒ
ータ4のスリット4aの長さLsを、試験例1,2,3
でそれぞれルツボ内径Rの0.3倍、0.45倍、0.
8倍とした。その他の条件(引上げ装置の仕様および引
上げ方法・条件)は全て、試験例1,2,3で共通にし
た。抵抗加熱ヒータ4およびルツボ2は昇降機構により
昇降可能とした。図1の装置を使用し、RCCZ法によ
るシリコン単結晶の引上げを行った。この単結晶引上げ
法では、ルツボ内融液の深さが経時とともに減少する。
mm (5)電磁石のコイル間距離Dc(図5を参照):約1
800mm
8インチ(約210mm)×700mm (2)ルツボの回転数:0.5rpm (3)種結晶の回転数:16rpm(ルツボの回転方向
とは逆) (4)引上げ開始時のルツボ内シリコン融液の深さ:約
260mm (5)引上げ終了時のルツボ内シリコン融液の深さ:約
180mm (6)ルツボの中心軸l上の点における磁場の強度分布
(磁場の等強度線分布)は、ルツボ中心(ルツボ深さの
1/2の位置)で4000ガウス、ルツボ中心の上方1
50mmの位置では3750ガウス (7)その他:適量の不活性ガス(Ar)を供給しなが
ら、引上げチャンバ内の圧力を50mbarの減圧状態
に保持した。
状態でルツボ中心軸上の温度分布を熱電対により測定し
た。結果を図2に示す。この図において横軸はルツボ中
心軸上の(上下方向の)位置を示し、抵抗加熱ヒータ4
のスリット4aの上下方向中心Csをゼロとしてある。
曲線Aはスリット長がルツボ内径の0.8倍のときの結
果を、曲線Bはスリット長がルツボ内径の0.3倍のと
きの結果をそれぞれ示している。なお、上記2種類の抵
抗加熱ヒータは、それぞれのスリットの上端が同一高さ
になるように設けた。
リット長が長い場合には温度分布が緩やかであり、スリ
ット長が短い場合には温度分布がより急峻になってい
る。従って、スリット長が短い抵抗加熱ヒータを設け、
ルツボ中心軸上の温度勾配を利用することによって、ル
ツボ内融液の対流を望ましいものに制御できることが分
かる。また、抵抗加熱ヒータとルツボ内融液との上下方
向の間隔を適宜なものに設定することで所望の対流状態
を形成し、これにより望ましい品質のシリコン単結晶を
製造することができる。
いて上記条件によりシリコン単結晶を引き上げた。そし
て、これらのシリコン単結晶における結晶成長方向の酸
素濃度分布測定した。結果を図3に示す。ミクロな酸素
濃度分布は、マイクロFT−IR法によりビームサイズ
100×200μmを用い、結晶成長方向に250μm
ステップで測定した。図3(a)(b)において横軸の
「試験片上の距離」は、成長した単結晶の成長方向の距
離に相当する。試験片は、結晶直胴20〜24cm部分
を縦切りし、結晶軸中心部から、厚さ2mm・幅20m
mとして切り出した。
のスリット長をルツボ内径の0.7倍以下に設定するこ
とにより、結晶成長方向の酸素濃度のミクロなバラツキ
が小さくなり、結晶成長方向の格子間酸素濃度やキャリ
ア濃度の連続性を改善することができる。
濃度分布はそのまま、この単結晶から作製されるウエー
ハに反映するので、酸素濃度のばらつきは、できるだけ
小さいことが望ましい。具体的には上記試験片上の、単
結晶成長方向の距離4cmの部分における最大値の最小
値の差が1.0ppma(JEIDA)以下、特に0.
5ppma(JEIDA)以下であることが望ましい。
あって、ルツボ内径に対するヒータスリット長の比と、
ミクロな酸素濃度のばらつき(単位はppma−JEI
DA)との関係を示したものである。但し、上記ばらつ
きは試験片上の、単結晶成長方向の距離4cmの部分に
おける最大値と最小値との差である。図4の結果から、
従来装置では上記差が約1.3ppmaであるのに対
し、本発明によれば上記差を約0.4〜0.8ppma
に抑えられることが分かる。
は、抵抗加熱ヒータのスリットの長さを、シリコン単結
晶引上げ用ルツボの内径の0.3倍以上、0.7倍以下
に設定することにより、結晶成長界面近傍のシリコン融
液に温度勾配が発生するため、これに印加する水平磁場
の効果と相まって、その対流を適切なものに制御するこ
とが可能となり、シリコン単結晶内の不純物濃度、特に
結晶成長方向の格子間酸素濃度の連続性が改善され、高
品質のシリコンウエーハを安定して製造することができ
る。また、抵抗加熱ヒータとルツボ内シリコン融液との
上下方向の相対位置を適宜に制御することで、シリコン
単結晶内の不純物濃度を所望のものに制御することがで
きて、より多種の品質要求に的確に対応することができ
る。
の要部構造を示す概略縦断面図である。
ルツボ中心軸上の温度分布を示すグラフである。
る、結晶成長方向の酸素濃度分布を示すグラフである。
ツボ内径に対するヒータスリット長の比と、得られたシ
リコン単結晶におけるミクロ酸素濃度ばらつきとの関係
を示すものである。
来例を示す概略縦断面図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 引上げチャンバ内に有底円筒状ルツボ
と、このルツボを囲繞する抵抗加熱ヒータとを設け、磁
場印加装置の電磁石を構成するコイルを前記引上げチャ
ンバ外に、かつ前記ルツボを挟んで同軸的に対向配備
し、ルツボ内のシリコン融液に水平磁場を印加しつつ前
記融液から大直径の単結晶を引き上げるシリコン単結晶
の製造装置において、前記抵抗加熱ヒータは、発熱部で
あるスリットの長さが前記ルツボの内径の0.3倍以
上、0.7倍以下であることを特徴とするシリコン単結
晶の製造装置。 - 【請求項2】 引上げチャンバ内に有底円筒状ルツボ
と、このルツボを囲繞する抵抗加熱ヒータとを設け、磁
場印加装置の電磁石を構成するコイルを前記引上げチャ
ンバ外に、かつ前記ルツボを挟んで同軸的に対向配備
し、ルツボ内のシリコン融液に水平磁場を印加しつつ前
記融液から大直径の単結晶を引き上げるシリコン単結晶
の製造装置において、前記抵抗加熱ヒータは、発熱部で
あるスリットの長さが前記ルツボの内径の0.3倍以
上、0.7倍以下であり、前記抵抗加熱ヒータおよび前
記ルツボを昇降可能とする昇降機構を備えたことを特徴
とするシリコン単結晶の製造装置。 - 【請求項3】 請求項2に記載のシリコン単結晶の製造
装置において、前記ルツボ内のシリコン融液量が単結晶
引上げ時間の経過とともに減少する操作条件によりシリ
コン単結晶を製造する方法であって、結晶引上げ開始時
点において前記抵抗加熱ヒータのスリットの上下方向の
中心を、前記シリコン融液の表面より下方に位置させ、
シリコン単結晶の引上げによるルツボ内シリコン融液量
の減少に伴うシリコン融液表面の降下分をルツボの上昇
により相殺するとともに、前記抵抗加熱ヒータ自身を昇
降させることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
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JP35305695A JP3528888B2 (ja) | 1995-12-28 | 1995-12-28 | シリコン単結晶の製造装置および方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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JPH09183692A JPH09183692A (ja) | 1997-07-15 |
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